生物炭添加污泥堆肥对土壤改良效果研究

于川洋

摘要：研究了生物炭添加对污泥堆肥改良园林土壤肥力的促进效果。结果表明：适当比例（0～10%）污泥堆肥施加能够显著提升土壤肥力，除了提供有机质和氮、磷、钾等营养元素外，还可以提高土壤脲酶、过氧化性酶等的活性，改善土壤微生物种群结构，从而提高黑麦草产量；生物炭的添加，可以提高污泥堆肥腐熟度，进一步提高污泥堆肥对土壤肥力的促进作用，利于植物生长。同时，可以缓解污泥堆肥中盐分等有害物质对土壤微生物活性和植物生长带来的不利影响。生物炭添加能更好地促进污泥堆肥在园林绿化中的应用。

关键词：污泥堆肥；生物炭；园林；土壤改良；酶活性

中图分类号：X703

文献标识码：A文章编号：16749944（2017）8009505

1引言

污泥作为污水处理厂污水生物处理过程中产生的副产物，其含有大量有机质以及氮、磷等营养元素，具有很高的资源化利用潜质。同时，我国湿污泥年产量已达到3000万t以上，不经过有效的处理处置，污泥中病原微生物以及重金属等有害物质将对环境构成严重危害。目前，污泥最终处置方式主要有堆肥化后土地利用，填埋，焚烧以及建材利用[1]。然而，不同处置方式都存在一定的弊端，难以有效地实现污泥减量化、无害化、稳定化以及资源化。以土地利用为例，我国很多污水处理厂处理的污水包括生活污水和工业废水，污泥中含有较高的重金属。因此，重金属问题严重限制污泥大规模或者长期进行农用。住建部于2009年颁布了《CJ-T309-2009城镇污水处理厂污泥处置农用泥质》，将污泥分为A级和B级，不同级别污泥相应地严格限制了总砷、总镉、总铬、总汞等重金属含量，同时规定了污泥年累积施用量不超过7.5 t/hm2，最高连续施用10年。其他处置方式也存在明显的弊端，填埋除了占用土地资源，也存在污染地下水、引起沼气爆炸等安全隐患。焚烧处置虽然可以较为彻底实现污泥减量化，但是湿污泥热值低，需要添加煤炭混合焚烧，或者干化后焚烧，能耗大。建材利用也存在污泥掺杂降低建材品质等问题。

在欧美等国家，污泥重金属含量低，填埋方式逐年减少，以土地利用等实现污泥资源化处置的方式在逐年增加，成为主要的发展趋势[2]。随着我国对污泥处理处置力度的增大、意识的加深，污泥泥质也将会趋于变好，土地利用将是未来我国污泥处置的主要方式。特别是现阶段，虽然污泥农用受到限制，存在一定的安全风险，而污泥堆肥品用于园林绿化，提高土壤肥效，不仅拓展污泥利用途径和范围，同时不存在进入食物链的安全风险。据刘洪涛等人[3]报道，我国在公路绿化带以及城市园林绿化领域对有机肥需求量巨大，每年约有（120～150）×104 t有机肥的需求量。此外，在速生林的土壤也亟待有机质、氮、磷等养分补充，仅速生林对有机肥的需求量就可达1200×104 t。

根据以往研究，污泥堆肥品可以改良土壤肥效，促进植物生长，但是高含盐量反而会对绿化植物生长产生一定负面影响。刘强等人[4]研究污泥堆肥对园林植物（高羊茅、万寿菊）生长的影响，对于高羊茅，当污泥堆肥干重施用比例在0～10%时，随着比例增加，高羊茅生长得到促进，植株株高由12.5 cm提高到35.0 cm，生物质含量由4.28 mg 增加到13.50 mg。而施用比例达到20%时，种子发芽率不足35%，生物质含量降低到了5.69 mg。蔡红等人[5]研究污泥堆肥对番茄等蔬菜幼苗的盐害作用，发现污泥堆肥含盐量高，特别是Na+和Cl-浓度高，对植物产生明显盐害作用。而用水淋洗的方式可以降低污泥堆肥中盐含量，蔬菜幼苗長势得到改善，株高增加了2～3倍。此外，生物炭作为生物质固体废弃物资源化回收材料，大量研究[6～8]表明，其具有很好的重金属、氮、磷吸附效果，甚至很好的脱盐效果[9]。此外，污泥堆肥过程中添加生物炭有利于提高堆肥中胡敏酸含量，提高污泥堆肥腐殖酸品质，同时有利于降低重金属含量和有效量[10]。张翔等人[11]研究结果表明，污泥基生物炭添加能增加猪粪堆肥速度，提高堆肥品质，生物炭肥料能很好的改善土壤性质。因此，生物炭在污泥堆肥过程中的应用具有重要的现实意义。然而，目前对于生物炭添加对污泥堆肥土壤修复效果以及园林植物生长影响的研究仍鲜有报道。因此，笔者利用生物炭与污泥混合堆肥，将堆肥成品施加到园林土壤中进行黑麦草盆栽实验，考察生物炭添加污泥堆肥品对黑麦草生长、土壤物化性质以及微生物性质的影响。

2材料与方法

2.1实验材料

2.1.1土壤

盆栽实验土壤取自温室大棚园林绿化培植基地耕作层土壤，其基本特征为：pH值6.78，有机质3.12%，全氮0.105%，全磷0.673%。土壤取回后，风干过2 mm筛子备用。

2.1.2堆肥污泥

污泥堆肥采用不锈钢制成密闭堆肥反应器，静态堆肥，间隔曝气好氧发酵。污泥取自山东德州某污水处理厂脱水污泥，污泥经过晾晒到含水率70%左右，添加一定量的木屑将含水率调节到60%，并且起到提高堆肥原料碳氮比的目的。堆肥分为普通污泥堆肥不添加生物炭（SF），以及添加10%（干重比）生物炭的污泥堆肥（BF）。经过35 d的好氧发酵得到腐熟的污泥堆肥品。生物炭选用木屑生物炭，购自河南商丘三利公司，基本特征如表1所示。

2.1.3植物

盆栽实验选用黑麦草，因其具有发芽快、养护简单、抗寒性好等特点，常用于城市园林绿化用草。

2.2盆栽实验设计

采用直径12 cm，高12 cm聚乙烯塑料盆，每盆装土0.6 kg。按照污泥堆肥品在土壤中干重比例分别为0%，5%，10%，20%进行混配。黑麦草草籽用去离子水冲洗后水中侵泡6 h，催芽后按照每盆30颗的播种量种入土壤。每个实验条件下设置3个平行的盆栽。所有盆栽放于阳光充足的温室中，计算10 d内种子的发芽率，40 d后收割黑麦草。测定黑麦草株高，风干后称重测生物量。

2.3分析方法

土壤理化性质采用常规分析方法[12]。

2.3.1土壤酶活性

40 d黑麦草收割后，于盆中土壤5 cm深处均匀地取得3个土样，并进行混匀后，用于土壤酶活性，微生物分析。土壤脲酶采用苯酚钠比色法[13]测定，土壤过氧化氢酶采用高锰酸钾法[14]测定，蔗糖酶采用3，5二硝基水杨酸比色法[13]测定。

2.3.2土壤微生物

土壤微生物的测定采用平板稀释法[15]。真菌和放线菌培养基分别为改良马丁培养基和高氏1号培养基， 细菌采用牛肉膏蛋白胨培养基。

3结果与讨论

3.1生物炭添加对污泥堆肥影响

表2为堆肥完成后肥料的基本理化特征。生物炭的添加对污泥堆肥理化特征产生影响，由于生物炭本身具有较高电导率，其添加也导致污泥堆肥品电导率显著升高，堆肥品电导率的升高有利于促进微生物的代谢活性和微生物代谢过程电子传递速率。此外，碳氮比、营养元素K的含量也有所提高。钠离子的含量有所降低，这将有利于缓解污泥堆肥盐度对植物生长带来的不利影响。但是，生物炭的添加也导致了碳、氮的流失。这主要是由于生物炭添加提高了污泥中蛋白质、多糖等有机物的分解效率，释放更多二氧化碳、氨气，导致碳、氮的流失。张继宁等人[16]研究结果表明，木炭的添加提高了污泥堆肥的稳定度，蛋白质、多糖等组分含量相对降低，引起明显的碳、氮减量。因此，生物炭添加可以进一步提高污泥堆肥腐熟度。

3.2堆肥对黑麦草生长影响

经过堆肥处理后污泥，含有丰富有机质、氮、磷、钾等营养元素，对植物的生长非常有利。但污泥中也富集大量重金属、盐分以及难降解有机物，也会对土壤微生物、植物生长产生不利影响。如表3所示，适量污泥堆肥施加能够显著提升土壤肥力。普通污泥施用比例在0～10%，随着施用比例提高，黑麦草的株高、产量都得到了明显的提升。但是，堆肥施加量提高到20%时，黑麦草的生长受到显著抑制，发芽率不足40%，说明污泥堆肥中有害物质严重干扰种子萌发。黑麦草生长也受到了明显抑制，株高、产量显著降低，过多的污泥堆肥品施加非常不利于植物生长。

生物炭添加提高了污泥堆肥对土壤的改良效果。在5%堆肥施加量下，黑麦草产量提高15.38%。同时，降低污泥堆肥中有害物质对植物生长的不利影响。在20%污泥堆肥施加量下，生物炭添加提高了单独污泥堆肥施加下种子的发芽率，黑麦草生长也得到改善。如图1所示，污泥堆肥的施加显著提高了土壤的电导率、盐分。生物炭在污泥堆肥过程中的添加，提高了堆肥的电导率，但是盐分却有一定程度的降低。盐分的降低会缓解污泥堆肥中重金属、盐等有害物质对植物生长的不利影响。此外，生物炭对污泥堆肥土壤改良效果的提高，也与其能提高污泥堆肥的腐熟度有关。

3.3.1土壤脲酶

脲酶广泛存在于土壤中，能催化尿素分解产生氨、二氧化碳、水，对土壤中氮素利用、氮素循环具有重要作用。如图2所示，适当比例污泥堆肥（0～10%）施加能够显著提升土壤中脲酶活性，但是过多堆肥施加反而会对脲酶的活性产生抑制。生物炭在污泥堆肥中的施加有利于进一步提高对土壤脲酶活性的提升效果。这一结果与生物炭添加提升污泥堆肥过程中蛋白质等有机质分解，提高碳、氮的去除量相一致。生物炭具有一定的导电性以及良好的吸附性，可以作为微生物的载体以及电子传递通道，提升微生物的代谢效率。已有研究证明，生物炭能够提高一些生物反应过程的效率，如厌氧消化过程[17]等。

3.3.2土壤过氧化氢酶

过氧化氢酶参与生物的呼吸代谢，其活性高低与好氧微生物数量、土壤肥力有密切联系。如图3所示，适当比例（0～10%）污泥堆肥的添加提高了土壤过氧化氢酶活性，而生物炭的添加能更顯著地提高过氧化氢酶活性。由此说明，生物炭在污泥堆肥中的施加不但能够提高污泥堆肥的腐熟度，同时进一步地影响施用土壤中微生物的代谢呼吸过程，显著改善土壤生物环境。而过高比例（20%）污泥堆肥施加，可能由于有害物质或有机质过高，导致土壤酸化，抑制了过氧化氢酶活性[18]。

3.3.3土壤蔗糖酶

如图4所示，施加污泥堆肥对土壤蔗糖酶的活性也有一定的促进作用，特别是在较低比例（5%）污泥堆肥施加量情况下。而生物炭的添加对蔗糖酶活性的作用效果并不显著。蔗糖酶与碳水化合物的代谢过程有关，可以将蔗糖水分解成葡萄糖和果糖，成为植物、微生物好氧呼吸重要的碳源。说明污泥堆肥有利于提高土壤蔗糖酶活性，促进碳水化合物的转化。但是，生物炭并未能够进一步促进碳水化物的转化效率。

3.4堆肥对土壤微生物影响

污泥堆肥施用对土壤微生物产生了显著地影响。如图5所示，污泥堆肥的施加导致了土壤微生物总量明显升高，细菌、真菌、放线菌数量均有所升高。其中，以真菌的增长幅度最为明显，这可能与污泥堆肥过程中调理剂秸秆的添加在堆肥过程中的腐败等导致真菌的大量繁殖有关。放线菌是土壤中数量仅次于细

菌的微生物，对土壤中有机质的分解和腐殖质合成具有重要作用。同时一些代谢产物能改善土壤环境，有利于植物生长[19]。生物炭的添加进一步促进了污泥堆肥对土壤微生物数量的提升效果。土壤微生物数量的增加将极大地提高土壤中有机质、氮、磷等转化效率，促进植物对土壤中养分利用效率。

污泥堆肥施加除了使土壤微生物数量得到提升以外，土壤微生物种群结构也受到了影响（图6）。与未添加污泥堆肥土壤相比，污泥堆肥添加使土壤中放线菌，特别是真菌比例明显增高，土壤中微生物多样性指数明显提高。施用污泥堆肥有利于土壤建立良好的微生物结构。生物炭的添加并未对微生物结构产生显著的影响。

4结论

（1）污泥堆肥对园林土壤具有很好的改良效果，一定比例（0～10%）堆肥污泥的施加可以显著促进黑麦草生长，提高黑麦草产量。这主要是因为污泥堆肥的施加能够为植物生长提供有机质、氮、磷、钾等营养元素。此外，污泥堆肥的施加能显著提高土壤脲酶、蔗糖酶以及过氧化氢酶活性，提高土壤微生物数量，改善微生物种群结构，从而起到了很好的改良土壤肥力的效果。但是过高比例（20%）污泥堆肥的施加，会导致植物生长受到干扰，发芽率、株高、生物质产量都受到不利影响，土壤中脲酶等酶活性，微生物的数量都受到了不利影响。

（2）生物炭在堆肥过程中的添加，对污泥堆肥土壤改良效果起到了促进作用。主要表现为：生物炭的添加进一步提高了黑麦草的产量，同时缓解了污泥堆肥过量施加对植物生长产生的不利影响；生物炭的添加改变堆肥污泥的理化特征，提高碳、氮的去除量，即提高了腐熟程度，同时一定程度上降低了盐分；生物炭添加进一步促进了堆肥污泥对土壤脲酶、过氧化氢酶活性的促进效果，一定程度上具有缓解过量堆肥污泥施加对土壤酶活性带来的抑制影响；生物炭添加对土壤微生物数量的增加具有进一步地促进作用。因此，生物炭在污泥堆肥过程中的应用具有非常重要的意义。

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